宇宙中最劇烈的爆炸！伽馬射線暴平均每天發(fā)生一兩次

　　核爆炸時(shí)也會產(chǎn)生伽馬射線。

　　質(zhì)量巨大的恒星死亡時(shí)可能會形成黑洞。

　　美蘇冷戰(zhàn)期間，幾顆美國的間諜衛(wèi)星徹底改變了我們對宇宙的看法。

　　1963年，在古巴導(dǎo)彈危機(jī)差點(diǎn)讓全世界卷入核戰(zhàn)爭的一年之后，美國發(fā)射了一組衛(wèi)星，用來監(jiān)視蘇聯(lián)。

　　當(dāng)時(shí)，美蘇兩個(gè)超級大國剛剛簽署了一項(xiàng)合約，禁止在大氣層和太空中進(jìn)行核試驗(yàn)。美國發(fā)射的數(shù)顆維拉號衛(wèi)星分布在距地面10萬公里的上空，確保蘇聯(lián)遵守了這項(xiàng)合約。

　　這些衛(wèi)星可以檢測到核爆炸產(chǎn)生的高能輻射，即伽馬射線。1967年，這些衛(wèi)星探測到了幾次來源不明的輻射爆發(fā)。但這些爆炸似乎并不是由核彈產(chǎn)生的，而是來自于外太空。

　　這些神秘的現(xiàn)象一直處于保密狀態(tài)，直到1973年才對外公布。沒人知道它們究竟為何物，一連幾十年過去，這些伽馬射線一直令科學(xué)家感到困惑不解。

　　但冷戰(zhàn)結(jié)束之后，在多架太空飛船和望遠(yuǎn)鏡的幫助下，天文學(xué)家對這些伽馬射線暴有了更好的了解。到目前為止，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了6000次這樣的爆發(fā)現(xiàn)象，平均每天都會發(fā)生一兩次。

　　這些射線暴來自于宇宙中最神秘的天體：黑洞和中子星。它們是如此明亮，足以跨越廣袤無垠的空間與時(shí)間，為我們留下恒星起源的種種線索。

　　由于伽馬射線暴極其短暫，每次持續(xù)時(shí)間僅為幾毫秒，因此它為我們展現(xiàn)的宇宙比此前想象的更加生機(jī)勃勃。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，即使從人類的時(shí)間尺度來看，宇宙也算是一個(gè)爆炸叢生、變化多端的所在。

　　太陽耀斑是一種威力巨大的輻射爆發(fā)。只有百分之一的超新星爆發(fā)時(shí)會產(chǎn)生伽馬射線暴。

　　謎題更加費(fèi)解

　　伽馬射線是一種非常極端的射線?！八鼈兪怯钪嬷辛炼茸罡?、威力最巨大的爆炸形式。”紐約大學(xué)的宇宙物理學(xué)家安德魯?麥克法迪恩(Andrew MacFadyen)說道。

　　伽馬射線爆發(fā)比整個(gè)星系還要明亮一百萬倍。一束伽馬射線爆發(fā)每秒鐘產(chǎn)生的能量與整個(gè)可見宇宙的全部星光總和相當(dāng)。

　　它們是電磁輻射中能量最強(qiáng)的一種，代表了宇宙中一些溫度最高、威力最巨大的現(xiàn)象，如太陽耀斑、或向外噴吐氣體和塵埃的黑洞等。

　　但由于地球的大氣層能夠吸收宇宙射線，一直到航天時(shí)代的到來，天文學(xué)家才發(fā)現(xiàn)宇宙中有如此多的伽馬射線。

　　直到維拉號衛(wèi)星等宇宙飛船升空之后，科學(xué)家才得以一瞥伽馬射線的蹤影，并發(fā)現(xiàn)了宇宙中存在伽馬射線爆發(fā)這樣的現(xiàn)象。

　　“我們在天文學(xué)中研究的大部分事物都在很久之前就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，比如恒星、星系和恒星等，”哈佛大學(xué)的一名天文學(xué)家埃多?博格(Edo Berger)說道，“但伽馬射線的發(fā)現(xiàn)完全超出了我們的想象?！?

　　在首次發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象之后，維拉號等衛(wèi)星又發(fā)現(xiàn)了更多的伽馬射線暴，但當(dāng)時(shí)還沒有能對其進(jìn)行研究的科學(xué)設(shè)備，因此相關(guān)數(shù)據(jù)相當(dāng)有限。甚至沒人知道這些射線暴距我們究竟有多遠(yuǎn)。但在人們初次發(fā)現(xiàn)伽馬射線暴的近20年后，答案終于開始浮出水面了。

　　伽馬射線暴是宇宙中最明亮的爆炸。

　　1991年，NASA發(fā)射了一顆名叫“康普頓伽馬射線天文臺”的衛(wèi)星，配備了第一臺伽馬射線暴探測設(shè)備，名叫BATSE(Burst and Transient Source Experiment)。

　　該設(shè)備探測到了數(shù)百次伽馬射線暴。天文學(xué)家很快發(fā)現(xiàn)，伽馬射線暴可以被分為截然不同的兩類。

　　有些射線暴持續(xù)時(shí)間極短，僅有幾毫秒。其它射線暴的時(shí)間則要長一些，能持續(xù)30秒甚至更久，說明這兩類伽馬射線暴可能是由不同的現(xiàn)象形成的。

　　但為了確定這些現(xiàn)象究竟是什么，天文學(xué)家首先要知道伽馬射線暴來自何處。如果這些射線暴來自于銀河系內(nèi)部，就應(yīng)該與銀河平面(galactic plane)平行，以一條線的形狀出現(xiàn)。

　　但BATSE設(shè)備發(fā)現(xiàn)，這些射線暴在空中呈均勻分布，說明它們是來自銀河系之外的。

　　雖然聽上去很有道理，但這些證據(jù)畢竟是間接推斷出來的。天文學(xué)家還需要確定這些射線波距我們究竟有多遠(yuǎn)。為此，他們需要探測到“余輝”(afterglow)，即伽馬射線消逝之后殘留下來的輻射。

　　這些余輝會在其它波段上出現(xiàn)，如可見光和X射線等，其中包含了伽馬射線暴的化學(xué)特征，即會在不同波段發(fā)光的輻射。當(dāng)這些輻射向地球飛來時(shí)，不斷膨脹的宇宙便會將其拉長，使波長變得更長。

　　這一膨脹率會隨著距離而增加，因此只需測量輻射在到達(dá)地球時(shí)被拉伸了多少，便能確定射線暴距我們有多遠(yuǎn)。

　　但BATSE更像是一臺探測器，而不是望遠(yuǎn)鏡，因此它無法定位射線暴的具體位置。由于沒有確切的位置，其它望遠(yuǎn)鏡便無法及時(shí)跟進(jìn)、觀測射線暴的余輝。

　　直到1996年，意大利和荷蘭共同發(fā)射了BeppoSax衛(wèi)星，終于能以更高的精確度確定射線暴的位置。

　　1997年，BeppoSax衛(wèi)星檢測到了一次威力巨大的伽馬射線暴。望遠(yuǎn)鏡立刻對準(zhǔn)了同一方向，終于抓住了一次余輝，讓天文學(xué)家首次測量出了伽馬射線暴距地球的距離。

　　天文學(xué)家得到的結(jié)果確鑿無誤：這次射線暴的確來自銀河系之外，距我們約60億光年。

　　不過，BeppoSax衛(wèi)星的反應(yīng)速度還不夠快，無法抓住短射線暴的余輝，因此這一類射線暴暫時(shí)仍是一大謎團(tuán)。

　　在接下來的幾年之內(nèi)，人們逐漸對長射線暴有了更精確的了解。

　　這顆超新星位于M82星系，距我們約1200萬光年。我們的宇宙充滿了動力。

　　爆炸的恒星

　　科學(xué)家一直懷疑射線暴與某種極端天體有關(guān)，如黑洞或中子星。只有密度如此之大的天體，在強(qiáng)大的引力和磁場作用下，才能創(chuàng)造出如此短暫而高強(qiáng)度的射線暴。

　　黑洞和中子星都是巨型恒星慘烈死亡后的產(chǎn)物。當(dāng)恒星燃料耗盡之后，它的核心便會崩塌成一顆中子星。而如果質(zhì)量足夠大的話，便會形成一個(gè)黑洞，密度大到連光線都無法從它的引力下逃脫。而如果恒星的外層忽然爆發(fā)的話，就會形成超新星。

　　超新星非常明亮。天文學(xué)家能夠輕松地確定伽馬射線暴的位置之后，他們發(fā)現(xiàn)伽馬射線暴常常與超新星爆發(fā)同時(shí)發(fā)生。他們認(rèn)為，這可能是因?yàn)樗廊サ暮阈窃诒〞r(shí)釋放的能量極多，從而產(chǎn)生了伽馬射線。

　　但這種情境非常罕見，只有百分之一的超新星在爆發(fā)時(shí)會出現(xiàn)伽馬射線暴。

　　當(dāng)恒星崩塌成黑洞之后，剩下的氣體會形成一個(gè)圓盤，圍繞在黑洞周圍，就像水聚集在排水口周圍一樣。物質(zhì)被吸入黑洞中時(shí)，會釋放出大量的能量，有些甚至?xí)越咏馑俚乃俣葟暮诙粗袊姲l(fā)出去。這些噴射物會產(chǎn)生伽馬射線束，如果射線束朝向地球，就形成了伽馬射線暴。

　　大多數(shù)天文學(xué)家都認(rèn)為這是最具說服力的一種解釋?！斑@確實(shí)能說得通，”麥克法迪恩說道，“但你還想百分之百地確定。”

　　確實(shí)還有很多問題沒有得到解答。例如，人們?nèi)圆磺宄@些射線暴的來源究竟是黑洞還是中子星。我們也不知道這些噴射物是如何產(chǎn)生的、是由什么構(gòu)成的、以及它們是如何產(chǎn)生伽馬射線的。

　　Swift衛(wèi)星既探測到了伽馬射線暴，也抓拍到了恒星爆炸的情景(如圖所示)。黑洞的密度極大，連光線也無法從它的引力下逃脫?！　∮钪娲鬀_撞

　　在二十一世紀(jì)之交，短射線暴的起源仍是天文學(xué)家面臨的最大的未解之謎之一。至于長射線暴，解決問題的關(guān)鍵在于抓住射線暴的余輝，而這在當(dāng)時(shí)是任何儀器都無能為力的。

　　因此，天文學(xué)家還需要另一架宇宙飛船來助力。2004年，NASA發(fā)射了Swift衛(wèi)星。該衛(wèi)星搭載了用于研究X射線和可見光波段余輝的望遠(yuǎn)鏡，即使是最短的射線暴，它也能迅速判斷射線暴所在的位置。不到六個(gè)月時(shí)間，Swift衛(wèi)星就成功定位到了一次余輝。

　　“我們立刻就意識到，這次射線暴與長射線暴不同，” Swift任務(wù)的帶頭人尼爾?格瑞爾斯(Neil Gehrels)說道，“它并不是由恒星爆炸產(chǎn)生的?！?

　　與長射線暴不同，這一次發(fā)現(xiàn)的射線暴并未與超新星爆發(fā)同時(shí)發(fā)生，而且它所屬的星系類型也與此前不同。

　　長射線暴全部來源于類似銀河系的螺旋星系。這些星系如同一片片沃土，孕育了許多恒星。能產(chǎn)生長射線暴的恒星必須質(zhì)量很大，而且生命短暫，早早便夭亡了。

　　因此，在長射線暴的常見區(qū)域，必然有很多恒星在不斷地孕育或消亡。但Swift衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的射線暴來自一個(gè)滿是衰老或死亡的恒星的星系。如果有恒星爆炸的話，肯定發(fā)生在很長時(shí)間之前。

　　所有這些跡象都指向了同一個(gè)假設(shè)：這次射線暴是由兩顆中子星劇烈相撞形成的。根據(jù)天文學(xué)家的估算，宇宙中充滿了成對的、繞對方軌道旋轉(zhuǎn)的中子星。隨著時(shí)間的推移，它們會靠得越來越近，最終合并在一起，釋放出巨大的能量，也許還會產(chǎn)生伽馬射線。

　　隨著Swift衛(wèi)星探測到更多的射線暴，局勢也變得愈加明朗?！坝职l(fā)現(xiàn)了幾次射線暴之后，我們終于能完全確定，之前的那次射線暴就是由中子星相撞時(shí)產(chǎn)生的?！?

　　不過，大多數(shù)證據(jù)仍然是間接推斷出來的。雖然到目前為止，所有的觀測結(jié)果都與中子星合并的假說相符，但還沒有人找到過板上釘釘?shù)淖C據(jù)。例如，根據(jù)麥克法迪恩所言，中子星和黑洞相撞時(shí)也許也會產(chǎn)生短射線暴。

　　但人們很快便找到了進(jìn)一步的證據(jù)。當(dāng)兩顆中子星靠近對方時(shí)，它們損失的能量會呈波紋狀順著空間和時(shí)間向外擴(kuò)散，這一現(xiàn)象名叫引力波。愛因斯坦在一個(gè)世紀(jì)以前就預(yù)言過引力波的存在，一直到2015年才被美國的激光干涉引力波天文臺(LIGO)首次直接發(fā)現(xiàn)。

　　激光干涉引力波天文臺的革命性發(fā)現(xiàn)來自于兩個(gè)合并中的黑洞。但該天文臺也應(yīng)該能探測到中子星在合并時(shí)產(chǎn)生的引力波。

　　“這將成為一次了不起的發(fā)現(xiàn)，”麥克法迪恩說道，“在同一起事件中，你既能觀測到明亮的伽馬射線爆發(fā)，又能觀測到明亮的引力波爆發(fā)?！边@也將為中子星合并產(chǎn)生短射線暴的假說提供不容辯駁的證據(jù)。

　　全新的宇宙

　　如今，伽馬射線暴已經(jīng)不如過去那樣神秘了。“這是一次非凡的探險(xiǎn)?！备袢馉査拐f道。雖然許多研究人員在努力研究兩類伽馬射線暴的內(nèi)在原理，但其他人則將其視為從過去照耀至今的宇宙“燈塔”。

　　由于伽馬射線暴極為明亮，即使隔了很遠(yuǎn)的距離，穿梭了很長的時(shí)間，也依舊能被我們看見。最遠(yuǎn)的射線暴還是宇宙剛誕生4億年時(shí)形成的。如果距離再遠(yuǎn)一些的話，它們就是最早期的恒星爆炸死亡時(shí)的產(chǎn)物。

　　“這樣一來，我們就能看見宇宙中形成的第一批恒星了——至少能看見它們死亡時(shí)的模樣?！辈└裾f道，“我們居然能看見第一代恒星爆炸的過程，這個(gè)想法實(shí)在令人大為驚奇?！?

　　還不止這些呢。射線暴產(chǎn)生的光線中也包含了射線暴周圍氣體的化學(xué)特征。通過分析射線暴在不同距離上產(chǎn)生的光線，天文學(xué)家便可以判斷，在宇宙的不同歷史時(shí)期，太空中存在哪些化學(xué)元素。對于理解宇宙的起源和形成過程而言，這一類信息可以說是至關(guān)重要的。

　　不過伽馬射線最重要的貢獻(xiàn)或許在于，它們大大改變了我們對宇宙的看法?！坝钪嬷械拇蟛糠謻|西都已經(jīng)存在了很長時(shí)間，橫亙了整個(gè)人類歷史?！辈└裾f道。恒星、行星、星系——數(shù)十億年以來，它們都始終如一。

　　但伽馬射線暴的發(fā)現(xiàn)改變了這一觀點(diǎn)?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，宇宙中也有瞬息萬變的東西，從出現(xiàn)到消失，僅僅過了數(shù)小時(shí)內(nèi)、數(shù)分鐘、甚至短短數(shù)秒?！?

　　伽馬射線為一類新的天文學(xué)掃平了道路。如今，望遠(yuǎn)鏡正在一刻不停地凝望夜空，尋找各個(gè)波段上突然出現(xiàn)的一道閃光。這些信號可能來自于超新星爆發(fā)、擁有超大質(zhì)量黑洞的閃耀星系、或是來自于某種我們?nèi)晕窗l(fā)現(xiàn)的東西。

　　但這些都說明，我們的宇宙充滿了勃勃?jiǎng)恿?。為了更好地探索它，天文學(xué)家必須時(shí)刻做好準(zhǔn)備，否則就可能會錯(cuò)失良機(jī)。